城市框架下穿隧道基坑支護工藝對比研究

林齊鳴 萬 歷 唐 瑜

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

1 工程簡介

成都市五環路雙流段項目擬建的成新蒲下穿隧道長度為810m，其中某段（220m）下穿成新蒲大道入城段。下穿隧道采用明挖順筑法進行施工，因此需在成新蒲大道與下穿隧道交叉范圍進行基坑開挖，為框架隧道提供工作面。基坑開挖深度為8.0m～9.6m，屬于深基坑，安全等級為一級。基坑西側距已建成的中電科大樓約為60m，東側距現有雙楠大道約為65m、距中鐵大樓約為35m。由于下穿隧道施工周期較長且周邊建（構）筑物眾多，因此當基坑支護設計時應該重點考慮開挖支護對基坑自身及周邊建（構）筑物的影響，保證基坑穩定。

2 基坑支護方案對比分析

根據基坑支護工藝技術成熟性的要求，框架段下穿隧道基坑支護工藝可選用放坡開挖、灌注樁支護、地下連續墻支護以及鋼板樁支護等4 種支護工藝。

擬建隧道與既有成新蒲大道接近正交且框架段基坑開挖深度為8.0m～9.6m，若放坡開挖，則橫向會大量占用既有道路，導致縱向與周邊建（構）筑物安全距離不足。

當采用灌注樁支護工藝時基坑可接近垂直開挖，不額外占用既有道路及周邊用地[1]。其較好的抗變形能力可保障基坑安全，但現澆結構因混凝土齡期特性所以會導致施工周期較長，制約項目工期及材料投入。

雖然地下連續墻支護結構剛度大，抗滲性、擋土和隔水效果好，但是當地下連續墻遇到堅硬土體或是巖層時施工較困難，需要特殊的成槽設備且施工費用較高[2]。

結合下穿隧道框架段地質情況，地面下約4～6m 為超厚卵石層且基坑開挖深度較深，采用鋼板樁不僅難以抵抗巨大的土壓力，還在卵石層中難以順利打拔，不能保障基坑安全性。

通過上述分析，結合五環路雙流段項目建設要求，初步擬定采用灌注樁支護及地下連續墻支護，具體結構形式及參數如下。

支護工藝1：灌注樁支護。采用φ1.2m 灌注樁及樁間掛網噴漿防護，樁頂設置冠梁，基坑橫向設置兩道格構柱，其下設置φ1.0m 立柱樁，其頂設砼支撐，沿基坑縱向間距8m共計12 排。

支護工藝2：地下連續墻支護。采用厚800mm 的自立式地下連續墻，“I”形斷面，墻體為C35 混凝土，接頭形式為鋼筋混凝土接頭。

3 支護結構穩定性分析

根據上文基坑支護方案對比分析結果，重點對灌注樁支護及地下連續墻支護這兩種工藝的穩定性進行分析。

3.1 灌注樁支護穩定性分析

3.1.1 計算嵌固穩定性

灌注樁支護工藝屬于單層支撐的支擋結構，根據文獻[3]要求，其嵌固深度應符合下列嵌固穩定性的要求。結構受力簡圖如圖1所示，計算嵌固穩定性如公式（1）所示。

圖1 單層支撐的支擋結構嵌固穩定性計算結構簡圖

式中：Kem為嵌固穩定安全系數；當基坑安全等級為一級時，Kem≥1.25；Eak、Epk分別為基坑外側主動土壓力和內側被動土壓力合力標準值，kN；Za2、Zp2分別為基坑外側主動土壓力和內側被動土壓力合力作用點至支點的距離，m。

根據公式（1）和灌注樁支護工藝結構物參數，計算灌注樁嵌固穩定安全系數Kem=2.47≥1.25，滿足規范要求。

3.1.2 計算坑底隆起穩定性

單層支撐的支擋結構嵌固深度應滿足坑底隆起穩定性要求，結構受力簡圖如圖2所示，計算抗隆起穩定性如公式（2）～公式（4）所示。

圖2 擋土構件底端平面下土的抗隆起穩定性計算結構簡圖

式中：Khe為抗隆起安全系數，當基坑安全等級為一級時，Khe≥1.8；γm1、γm2分別為基坑外和基坑內擋土構件底面以上土的重度，kN/m3；D為基坑底面至擋土構件底面的土層厚度，m；h為基坑深度，m；q0為底面均布荷載，kPa；Nc、Nq為承載力系數；c為擋土構件底面以下土的黏聚力，kPa；φ為擋土構件底面以下土的內摩擦角，°。

根據公式（2）～公式（4）以及灌注樁支護工藝結構物與土層參數，計算灌注樁抗隆起安全系數Khe=3.60≥1.8，滿足規范要求。

3.2 地下連續墻穩定性分析

3.2.1 嵌固穩定性計算

地下連續墻支護工藝屬于懸臂式支擋結構，根據規范要求，嵌固深度應符合下列嵌固穩定性的要求。結構受力簡圖如圖3所示，計算嵌固穩定性如公式（5）所示。

圖3 懸臂式的支擋結構嵌固穩定性計算結構簡圖

式中：Kem為嵌固穩定安全系數；當基坑安全等級為一級時，Kem≥1.25；Eak、Epk分別為基坑外側主動土壓力和內側被動土壓力合力標準值，kN；Za1、Zp1分別為基坑外側主動土壓力和內側被動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離，m。

根據公式（5）以及地下連續墻支護工藝結構物參數，計算地下連續墻嵌固穩定安全系數Kem=1.77≥1.25，滿足規范要求。

3.2.2 整體穩定性計算

懸臂式支擋結構應當滿足整體穩定性要求，可采用圓弧滑動條分法進行整體穩定性計算，其結構受力簡圖如圖4所示，計算整體穩定性如公式（6）、公式（7）所示。

圖4 圓弧滑動條分法整體穩定性計算結構簡圖

式中：Ks為圓弧滑動整體穩定安全系數，當基坑安全等級為一級時，Ks≥1.25；Ks，i為第i個滑動圓弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值；cj為第j土條滑動弧面處土的黏聚力，kPa；φj為第j土條滑動弧面處土的內摩擦角，°；bj為第j土條的寬度，m；θj為第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角，°；lj為第j土條的滑弧長度，m，取lj=bj/cosθj；qj為作用在第j土條上的附加分布荷載標準值，kPa；ΔGj為第j土條的自重，按天然重度計算，kN；uj為第j土條在滑弧面上的孔隙水壓力，kPa；坑底在地下水位以上時其值取0。

根據公式（6）、公式（7）和地下連續墻支護工藝結構物與土層參數，計算地下連續墻整體穩定安全系數KS=2.33≥1.25，滿足規范要求。另外，根據規范要求，可不計算懸臂式支擋結構的抗隆起穩定性。

3.3 有限元數值模擬對比分析

3.3.1 有限元數值模型建立

通過上文理論計算得出灌注樁支護和地下連續墻支護各自的穩定性安全系數，為進一步驗證在兩種支護工藝情況下，基坑外側土體變形數值及規律，采用MIDAS 軟件，根據地基土物理力學指標及基坑支護結構物材料參數，用1m×1m 的微小單元模擬基坑土體，分別建立兩種基坑支護工藝有限元數值模型，模型X方向為基坑橫斷面，Y為縱斷面，Z向上為正。設置模型橫向范圍為50m，縱向選取15m。有限元數值模型如圖5所示。

圖5 基坑支護有限元數值模型

3.3.2 模型計算結果及分析

基坑開挖完成后，在不同基坑支護工藝情況下，基坑外側土體變形將呈現不同規律[4]。通過有限元模擬，建立距基坑邊緣不同距離工況，得到不同支護工藝情況下坑外深層土體位移變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同支護工藝下坑外深層土體位移變化曲線

由圖6 可知，基坑外側深層土體距基坑越近，位移變形越大，反之越小。但不同的是，在灌注樁支護情況下，基坑外側土體水平位移在地面下約6m 處出現最大值，約為2.4mm；而地下連續墻支護在地面下約8m 處出現最大值，約為6.3mm。這種差別是因為灌注樁支護工藝嵌固深度較大且樁頂設有冠梁及橫向砼支撐，所以可大幅度抵抗基坑周圍的主、被動土壓力；而地下連續墻主要作用為抵抗主動土壓力，較難影響基坑底面以下部分土體產生的被動土壓力[5]。因此兩者土體最大位移值均出現在基坑開挖深度范圍內（基坑開挖深度為9m），但處于不同深度軸線上。

4 結論

經過對五環路雙流段下穿隧道基坑支護方案進行對比分析，通過理論計算與有限元模擬對擬定的支護結構穩定性及坑外深層土體位移變形進行驗證，可以看出，灌注樁支護工藝在支護結構穩定性方面，各項安全系數均大于地下連續墻支護，基坑外深層土體的位移變形遠小于地下連續墻支護工藝。綜合考慮工程項目建設相關規定、不同支護工藝各自的安全系數、施工內容、工期進度以及施工成本等，項目最終采用灌注樁支護工藝作為基坑支護首選方案。